2. Топология компьютерных сетей и модель взаимодействия открытых систем.

Как только компьютеров становится больше двух, появляется проблема выбора конфигурации физических полей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого являются соответствуют узлы сети (компьютеры), а дугам коммуникационное оборудование. От выбора топологии существенно зависят многие характеристики сети. Например, наличие нескольких путей связи между двумя компьютерами повышает надежность сети. В тоже время экономические соображения приводят к выбору топологии, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

В общем случае различают полносвязные и неполносвязные топологии.

Полносвязная топология (рис.1а) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Этот вариант наиболее громоздкий и неэффективен, так как в данном случае каждый компьютер должен иметь большое количество портов по числу рабочих станций сети, для каждой пары должна быть выделена линия связи. Полносвязные технологии в больших сетях не используются так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, то есть имеет место квадратичная зависимость.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис.1б). Эта топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей.

Кольцевая топология (рис1в). Здесь данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством ее является то, что здесь обеспечивается резервирование связей, так как любая пара узлов соединена двумя путями – по часовой стрелке и против. Кольца представляет собой удобную конфигурацию и для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу источнику. Поэтому отправитель может контролировать процесс доставки данных адресату. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо применять специальные меры, чтобы в случае выхода из строй какой-либо станции, не прерывался канал связи между остальными станциями сети.

Топология звезда (рис.1г) образуется в случае, когда каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специальное устройство, такое как многоходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам этой топологии относится высокая стоимость сетевого оборудования. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются числом портов концентратора.

Часто в сети используется несколько концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис.1д). Получаемую в результате структуру называют деревом. В настоящее время дерево – наиболее распространенная структура локальных и глобальных сетей.

Топология общая шина. Это особый частный случай топологии звезда (рис.1е). В качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, входящим в сеть. Основным преимуществом такой схемы являются ее дешевизна и простота наращивания – то есть присоединение новых узлов к сети.

а б в

г д е

Рис.1. Типовые топологии сетей.

Серьезный недостаток общий шины ее низкая надежность: любой дефект кабеля или какого-либо из многочисленных разъемов полностью парализуют всю сеть. Другой недостаток общей шины – ее низкая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети.

Что касается крупных сетей, то для них характерно наличие произвольных связей между компьютерами (рис.2). В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию. Поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Рис.2. Смешанная топология.

Модель взаимодействия открытых систем.

На практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

Так была разработана модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем – Open System Interconnection (OSI) или моделью OSI (рис. 3). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммуникацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

Компьютер 1 Компьютер 2

Сообщение Сообщение

7

7

7

Протоколы Интерфейсы

6

6

6-7

7-6

5

5

7-6-5

5-6-7

4

4

7-6-5-4

4-5-6-7

3

3

7-6-5-4-3

3-4-5-6-7

2

2

7-6-5-4-3-2

2-3-4-5-6-7

1

1

7

1-2-3-4-5-6-7

7-6-5-4-3-2-1

Передача по сети

7-6-5-4-3-2-1

Полезная Служебная

информация информация – заголовки

Рис.3. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI.

Таблица. Уровни управления модели ОSI

Уровень ОSI	Назначение
7. Прикладной	Предоставляет прикладным процессам пользователя средства доступа к сетевым ресурсам; реализует интерфейс между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем
6. Представ­ления	Предоставляет стандартные способы представления данных, которые удобны для всех взаимодействующих объектов прикладного уровня. Имеет интерфейс с прикладными программами
5. Сеансовый	Предоставляет средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации и административного управления обменом данных между ними
4. Транс­портный	Обеспечивает надежную, экономичную и «прозрачную» передачу данных между взаимодействующими объектами сеансового уровня
3. Сетевой	Регламентирует маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между объектами для реализации протоколов транспортного уровня
2. Канальный	Отвечает за непосредственную связь объектов сетевого уровня, функциональные и процедурные средства ее поддержки для эффективной реализации протоколов сетевого уровня
1. Физический	Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает соединения объектов сети с этой средой

Таблица. Функции уровней модели OSI

Номер уровня	Наименование	Функция
7	Прикладной уровень	Функции взаимодействия с приложением
6	Уровень представления
5	Сеансовый уровень	Логическая связь
4	Транспортный уровень	Межсетевая связь
3	Сетевой уровень
2	Канальный уровень	Связь в локальной сети
1	Физический уровень